cinematica-forças-potência na usinagem

Cinemática, Forças e

Potências na Usinagem

Módulo - 3

Bibliografia Principal -Dino Ferraresi -Apostila2 UFRGS

2

Conceitos Básicos

Grandezas do processo de usinagem

Peça

Porta-ferramenta

Ferramenta

Dispositivo de fixação

Máquina-ferramenta

Cinemática, Forças e

Potências na Usinagem

Cinemática dos processos de usinagem

Movimentos no Torneamento

Movimento Rotativo da Peça

Movimento de Avanço da Ferramenta

Ferramenta

Peça

(Longitudinal)

Parâmetros de corte:

Velocidade de corte - Vc

Velocidade de avanço - Vf

Profundidade de corte - ap

Movimentos relativos entre peça e ferramenta.

VELOCIDADES/CINEMÁTICA DO PROCESSO DE USINAGEM

Velocidade de corte (Vc)

Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção de corte

Velocidade de avanço (Vf)

Velocidade instantânea da ferramenta segundo a direção e sentido de avanço

Velocidade efetiva de corte (Ve)

Velocidade instantânea do ponto de referência da aresta cortante, segundo a direção efetiva de corte Vc

Vf

Ve

5

CINEMÁTICA DOS PROCESSOS DE USINAGEM

Movimentos que causam a remoção de cavaco (ativos)

- de corte;

- de avanço;

- efetivo de corte (resultante).

Movimentos que não causam a remoção de cavaco (passivos)

- de aproximação e afastamento;

- de ajuste/correção.

Mov. Avanço

da Ferramenta

Veloc. de Corte Veloc. Efetiva de Corte

Veloc. Avanço - Vf

Velocidades no Torneamento:

- Velocidade de corte (Vc)

- Velocidade de avanço (Vf)

- Velocidade efetiva de corte (Ve) (Resultante)

Parâmetros de corte:



Profundidade de corte - ap


Movimentos e Velocidades no Torneamento

Movimento

Rotativo

da Peça


Movimentos e Velocidades no Fresamento Discordante

Veloc. de

Corte

Vc

Veloc. Efetiva de Corte

Veloc. de Avanço

Vc Ve

Vf


Movimentos e Velocidades no Fresamento

(a) (b)

9


Movimentos e Velocidade na Furação

Veloc. de Corte

Veloc. Efetiva de Corte Veloc. de Avanço

Movimento de Avanço

Movimento de Rotativo


Movimentos e Velocidades na Retificação

Veloc. de Corte

Veloc. Efetiva de Corte

Veloc. de Avanço

Ve Vc

Va

Retificação Cilíndrica Externa

Retificação Tangencial Plana

Veloc. Efetiva

de Corte

Veloc. de Avanço

Vf

Veloc. de Corte

Velocidades do Processo de Torneamento

min]/[000.1

mnd

VC


d = diâmetro ( mm )

n = nº rotações / min


f = avanço ( mm / rotação )

n = nº de rotações / min

Obs.: Vc

Vf f

d

1000

Vf = f . n [ mm / min ]

Mov.Avanço

da Ferramenta

Movimento

Rotativo

Fa

Fp

Fu

FORÇAS DE USINAGEM (Notação Ferraresi)

- Força de corte/apoio (Fc/Fap)

- Força de avanço (Fa)

- Força de profundidade ou passiva (Fp)

-Força de usinagem (Fu)

-Força ativa (Ft) (Plano Trabalho)

Plano Trabalho – plano formado

entre Fc & Fa

Ft

Fap = Fc

Componentes de força de usinagem no torneamento

(Adaptado de Ferraresi, 2006)

Veloc. de Corte

Veloc. de Avanço

Vf

Veloc. Efetiva de Corte Movimento

Rotativo

da Peça

Mov. Avanço

da Ferramenta

∆ ABC ... Ft2 = Fa2 + Fc2 ... (A)

(A)=>(B) ... Fu2 = Fa2 + Fc2 + Fp2

Da figura ao lado conclui-se, através do Teorema de Pitágoras:

∆ ACD ... Fu2 = Ft2 + Fp2 ... (B)

Componentes de força de usinagem no torneamento

(Adaptado de Ferraresi, 2006)

- Força de corte/de apoio (Fc)

- Força de avanço (Fa)

- Força de profundidade (Fp)

-Força de usinagem (Fu)

-Força ativa (Ft) (Plano Trabalho)

Fp

Fu

Ft

Fa

Fc

A

B

C

D

14

Forças de Corte

Notação Ferraresi

- Força ativa (Pt)

Projeção da força de usinagem sobre o plano de trabalho

15

Forças de Corte

Notação Ferraresi

- Força de corte (Pc)

Projeção da força de usinagem sobre a direção de corte

16

Forças de Corte

Notação Ferraresi

- Força de avanço (Pa)

Projeção da força de usinagem sobre a direção de avanço

17

Forças de Corte

Notação Ferraresi

- Força passiva ou de profundidade (Pp)

Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular ao plano de trabalho.

)PP(PP

PPP

2a

2ap

2up

2t

2up

18

Forças de Corte

Notação Ferraresi

- Força de apoio (Pap)

Projeção da força de usinagem sobre a direção perpendicular a direção de avanço situada no plano de trabalho.

No caso do torneamento cilíndrico:

Força de apoio Pap = Pc Força de Corte

2a

2tap

2a

2apt

PPP

PPP

Força ativa

Potências de Usinagem (Ferraresi, 2006)

Potência de corte (NC) – produto da força de corte pela velocidade de corte

7560

CC

C

vPN

Nc – cv (cavalo vapor)

PC – Kgf

VC – m/min

Potência de avanço (Na) – produto da força de avanço pela velocidade de avanço

75601000

aa

a

vPN

Na – potência de avanço em cv

Pa – força de avanço em Kgf

Va – vel. avanço em mm/min

60000

CCC

vPN

Nc – kw

PC – N

VC – m/min

600001000

aa

a

vPN

Na – potência de avanço em kw

Pa – força de avanço em N

Va – vel. avanço em mm/min

Potência efetiva de corte (Ne):

aa

CC

a

C

vP

vP1000

N

N

Relação entre as potências de corte e avanço:

, onde no torneamento tem-se que:

f

d

P

P

N

N

a

C

a

C No torneamento tem-se Pc ≅ 4.5 Pa

e para f = 1 mm/volta e d = 50 mm

tem-se : Nc ≅ 707 Na


7560

ee

e

vPN

Obs.: Vc

Va f

d

1000

Ne – cv (cavalo vapor)

Pe – Kgf

Ve – m/min

Ne = Nc + Na

600001000

ee

e

vPN

Ne – em kw

Pe – em N

Ve – em mm/min

Analogamente nas operações com fresas cilíndricas tangenciais, através dos dados fornecidos por Ferraresi(2006), tem-se aproximadamente:

Ou seja, no fresamento cilíndrico tangencial

tem-se: Nc ≅ 170 Na


170a

C

N

N

Através destas relações, conclui-se que:

a maior parcela na potência efetiva de corte Ne é fornecida pela potência de corte Nc.

Para outras operações de fresamento, como também na furação e retificação, a

relação Nc/Na também é considerável.

Logo, no cálculo da POTÊNCIA EFETIVA DE CORTE pode-se assumir com suficiente aproximação:

Ne ~ Nc

PORÉM as forças de avanço e profundidade (Pa, Pp) são de grande importância no

PROJETO e na ESTABILIDADE DINÂMICA da máquina operatriz.

c

25/02/2016

Nas máquinas operatrizes com um único motor, para movimentos de corte e avanço, a potência fornecida pelo motor vale:


Onde η é o rendimento da máquina operatriz na faixa de 60 a 80%.

Potência fornecida pelo motor (Nm):

Nm = Nc

η

CORTE ORTOGONAL CORTE OBLÍQUO

Noções Básicas

Corte ortogonal

O fio de corte da ferramenta é perpendicular à

direção do movimento da peça.

Introdução

(de folga)

Noções Básicas

/folga

α + β + γ = 90º

CORTE ORTOGONAL

Alfa + Beta + Gama = 90º

Noções Básicas

α + β + γ = 90º

/ FOLGA

Noções Básicas

Ângulo de inclinação Lambda λ

medido no plano de corte

λ

Ângulos alfa-α, beta-β, gama-γ no plano de medida indicado

Noções Básicas

Xr + Ɛr + X’r = 180º

Xr – ângulo da aresta principal de corte

ângulo de posição da ferramenta

Ɛr – ângulo de quina

X’r – ângulo da aresta secundária de corte

(I) (II) (III)

S = p . a = h . b ... (mm2)

a - avanço (mm/rotação)

p - profundidade de corte (mm)

b - largura de corte (mm) (gume principal)

h - espessura de corte (mm)

r - ângulo da aresta principal ()

Cálculo da área da seção de corte ( S ) :

Noções Básicas

p

a

r

sen r = p

b

b = p

sen r

a

p r

sen r = h

a

h = a . sen r

r a

seção de corte

seção de corte (S)

seção de corte

b

Força de usinagem (Pu) depende:

- Material da peça;

- Área da seção de corte;

- Espessura de corte;

- Geometria da ferramenta e ângulo de posição ;

- Estado de afiação da ferramenta;

- Material da ferramenta;

- Lubrificação/Refrigeração;

- Velocidade de corte;

- Etc.

Forças de Corte

Componentes de força de usinagem no torneamento (Ferraresi, 2006)

Forças de Corte

Forças de usinagem em função do material usinado (Ferraresi, 2006)

= 15º (âng.saída)

= 43º (âng. de posição X ) ou

âng. do gume principal da ferramenta

AÇO Cr-Ni

AÇO St 42,11

Fe Fundido

Fo

rça

de

us

ina

ge

m P

(k

g*)

Secção de corte S (mm2)

Pc : Força de Corte

Pp : Força de Profundidade

Pa : Força de Avanço

Constante

Forças de Corte Influência do ângulo de posição (X) na força de usinagem (Ferraresi, 2006)

Material aço (LR = 70-80 Kgf/mm2)

Ferramenta de aço rápido

Velocidade de corte = 16 m/min

A potência de corte Pc pode ser expressa pela relação:

Pc = Ks . S , onde:

S – área da seção de corte = p . a = h . b ... (mm2)

Ks – pressão específica de corte,

é a força de corte por unidade de área da seção de corte.

Que depende:

Cálculo da Potência de Corte

Material da peça,

Secão de corte,

Geometria da Ferramenta,

Ângulo de posição Xr,

Afiação da Ferramenta,

Velocidade de Corte,

Fluido de Corte,

Rigidez da Ferramenta, etc.

Existem diversos modelos para o cálculo da Potência de Corte ...

Cálculo de Pc através da fórmula de Kienzle (Ferraresi pág. 192)

Pc = Ks1 . h(1-z) . b . cγ

onde:

Ks1 e z - são constantes do material, definidos experimentalmente e registrados na

forma de tabelas (Tab.V4),

h - espessura de corte,

b - largura de corte,

cγ - correção do ângulo gama (do plano de saída).

Potência de Corte ( ASME, AWF, Kronenberg, Kienzle)

Exercício:

Pretende-se tornear um eixo de aço ABNT 1035 (St 50,11), de diâmetro 100 mm,

profundidade de corte p = 4 mm, avanço a = 0,56 mm/volta, rotação 320 r.p.m.

Para tanto empregou-se uma ferramenta de metal duro P20 , com ângulo de posição

Xr = 60º , e ângulo de saída gama de 15º que recebeu um chanfro de 6º para reduzir a

força de corte. Calcule a potência de corte corrigida segundo Kienzle.

6º

cγ

(cγ)

=

r

Vc = 3,14 . 0,1 . 320

Vc ~100 m/min .

Vc = π.d.n

chanfro

7560

CC

CvP

N

Força de corte sem correção:

Força de corte corrigida:

de redução da força de corte cγ ...

cγ -

(correção devido âng. gama)

Cálculo da potência de corte

http://www.mitsubishicarbide.net/contents/mht/pt/html/product/technical_information/information/formula4.html

TORNEAMENTO POTÊNCIA DE CORTE (Pc)

ap : Profundidade de Corte (mm)

f : Avanço por Rotação (mm/rot)

vc : Velocidade de Corte (m/min)

Kc : Coeficiente de Força Específica de Corte (MPa)

η : Coeficiente da Eficiência da Máquina (%)

Pc : Potência de Usinagem Efetiva (kw)

Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi :

Força de Corte

Problema

Qual é a potência de usinagem necessária para usinar aço baixo carbono com ligas

especiais, com velocidade de corte 120m/min, profundidade de corte 3mm, avanço

0,2mm/rot , e eficiência da máquina de 80% ?

Resposta

Tabela Torneamento => aço baixo carbono c/ ligas especiais Kc = 3100 MPa

avanço 0,2 mm/rot

Substituindo os respectivos valores na fórmula :

Pc = (3×0,2×120×3100) / (60×103×0,8)

Pc = 4,65 kW

Material

Resistência à

Tração e Dureza

(MPa)

Coeficiente de Força Específica de Corte Kc (MPa)

0.1

(mm/rot)

0.2

(mm/rot)

0.3

(mm/rot)

0.4

(mm/rot)

0.6

(mm/rot)

Aço Baixo

Carbono (com

ligas especiais)

520 3610 3100 2720 2500 2280

Aço Baixo

Carbono 620 3080 2700 2570 2450 2300

Aço Duro 720 4050 3600 3250 2950 2640

Aço Ferramenta 670 3040 2800 2630 2500 2400

Aço Ferramenta 770 3150 2850 2620 2450 2340

Aço Cromo-

Manganês 770 3830 3250 2900 2650 2400

Aço Cromo-

Manganês 630 4510 3900 3240 2900 2630

Aço Cromo-

Molibdênio 730 4500 3900 3400 3150 2850

Aço Cromo-

Molibdênio 600 3610 3200 2880 2700 2500

Aço Níquel

Cromo-

Molibdênio

900 3070 2650 2350 2200 1980

Aço Níquel

Cromo-

Molibdênio

352HB 3310 2900 2580 2400 2200

Ferro Fundido

Duro 46HRC 3190 2800 2600 2450 2270

Ferro Fundido

Meehanite 360 2300 1930 1730 1600 1450

Ferro Fundido

Cinzento 200HB 2110 1800 1600 1400 1330

(TORNEAMENTO)


FRESAMENTO POTÊNCIA DE CORTE (Pc)

ap : Profundidade de Corte (mm)

ae : Largura de Corte (mm)

vf : Avanço da Mesa (mm/min)

Kc : Coeficiente de Força Específica de Corte (MPa)

η : Coeficiente da Eficiência da Máquina (%)

Pc : Potência de Corte Efetiva (kw)

Cálculo da potência de corte Pc através da fórmula Mitsubishi :

(Resposta)

Primeiro, calcule a rotação da ferramenta para obter o avanço por dente.

Rotação da ferramenta (n) = (1000vc) / (πD1)=(1000×80) / (3,14×250) = 101,91 r.p.m.

Avanço por Dente fz = vf / (z×n) = 280 / (12×101,9) = 0,228 mm/dente

Da tabela de fresamento (material x avanço por dente) => Kc = 1800 MPa

Substitua a força específica de corte na fórmula.

Pc=(2×80×280×1800) / (60×106×0,8)=1,68 kW

(Problema)

Qual é a potência de corte necessária para fresar aço baixo carbono, utilizando

máq. ferramenta com velocidade de corte de 80m/min; profundidade de corte de

2mm; largura de corte 80mm, avanço da mesa 280mm/min com uma fresa de

D1=250 mm de diâmetro e Z=12 insertos. Eficiência da máquina 80%.


... [ kW ]

Material Resistência à

Tração e Dureza (MPa)

Coeficiente de Força Específica Kc (MPa)

0.1

(mm/dente)

0.2

(mm/dente)

0.3

(mm/dente)

0.4

mm/dente)

0.6

(mm/dente)

Aço Baixo Carbono (com ligas

especiais) 520 2200 1950 1820 1700 1580

Aço Baixo Carbono 620 1980 1800 1730 1600 1570

Aço Duro 720 2520 2200 2040 1850 1740

Aço Ferramenta 670 1980 1800 1730 1700 1600

Aço Ferramenta 770 2030 1800 1750 1700 1580

Aço Cromo-Manganês 770 2300 2000 1880 1750 1660

Aço Cromo-Manganês 630 2750 2300 2060 1800 1780

Aço Cromo-Molibdênio 730 2540 2250 2140 2000 1800

Aço Cromo-Molibdênio 600 2180 2000 1860 1800 1670

Aço Níquel Cromo-Molibdênio 940 2000 1800 1680 1600 1500

Aço Níquel Cromo-Molibdênio 352HB 2100 1900 1760 1700 1530

Aço Inoxidável Austenítico 155HB 2030 1970 1900 1770 1710

Ferro Fundido 520 2800 2500 2320 2200 2040

Ferro Fundido Meehanite 46HRC 3000 2700 2500 2400 2200

Ferro Fundido Duro 360 2180 2000 1750 1600 1470

Ferro Fundido Cinzento 200HB 1750 1400 1240 1050 970

Latão 500 1150 950 800 700 630

Ligas Leves (Al-Mg) 160 580 480 400 350 320

Ligas Leves (Al-Si) 200 700 600 490 450 390

Ligas Leves (Al-Zn-Mg-Cu) 570 880 840 840 810 720

(FRESAMENTO)

cinematica-forças-potência na usinagem

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